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出版者:

作者:Vad, Janos/ Lajos, Tamas/ Schilling, Rudolf/ Cmff'0 (2003 Budapest, Hungary)

出品人:

页数:434

译者:

出版时间:

价格:1305.00 元

装帧:

isbn号码:9783540220312

丛书系列:

图书标签:

• 流体流动
• 建模
• 计算流体动力学
• 数值方法
• 工程
• 物理
• 传热
• 流体力学
• 模拟
• 数学建模

深入洞察：现代工程流体动力学的前沿与应用 图书名称：《现代工程流体动力学：理论、数值方法与工程实践》 图书简介： 本书旨在为工程、物理学及相关学科的研究人员、工程师和高年级学生提供一个全面、深入且前沿的流体动力学知识体系。我们聚焦于在现代工程挑战中至关重要的流动现象、先进的分析工具以及这些工具在实际工业问题中的应用。全书内容紧密围绕如何精确地描述、模拟和控制复杂的流体行为展开，特别强调了从基础物理原理到高级数值算法的无缝衔接。 第一部分：流体力学基础的严谨重构与深化 本部分对流体力学的基础理论进行了系统的梳理与提升，超越了传统教科书的覆盖范围，引入了更适合现代分析需求的数学框架。 第一章：流体运动学的几何描述与张量分析 本章从微分几何的角度重审流体运动。我们详细探讨了物质导数、应变率张量（Rate-of-Strain Tensor）和涡度张量（Vorticity Tensor）的精确定义及其在非均匀流动中的物理意义。着重分析了雷诺输运定理（Reynolds Transport Theorem）在处理控制体积分析中的局限性与适用范围，并引入了基于场方程的拉格朗日和欧拉描述的等价性转换。内容涵盖了速度梯度张量的特征值分析在识别流动分离和湍流脉动方向上的应用。 第二章：纳维-斯托克斯方程的现代诠释与拓扑结构 本章深入剖析了纳维-斯托克斯（Navier-Stokes, N-S）方程的物理内涵。我们不仅推导了其在牛顿流体中的形式，还扩展讨论了适用于非牛顿流体（如剪切增稠、剪切稀化流体）的广义本构关系。重点分析了压力-速度耦合机制，并探讨了湍流模型对N-S方程的修正，特别是对各向异性湍流的描述。同时，本章还引入了能量方程和组分输运方程的耦合，为热流体系统（Thermal-Fluid Systems）的分析奠定基础。 第三章：无量纲分析、相似性原理与边界层理论的精细化 本章强调了工程应用中的尺度分析方法。我们详细阐述了如何通过无量纲数（如雷诺数、普朗特数、韦伯数）来识别流动的物理主导机制。边界层理论部分，则侧重于高精度分析。除了经典的普朗特（Prandtl）边界层理论外，还深入讲解了如何处理逆压梯度下的分离现象，包括对再附着区（Reattachment Zone）的数值分析方法，并引入了对薄层（Thin Film）流动的分析，这在微流控和涂层技术中至关重要。 第二部分：计算流体力学（CFD）的高级算法与实现 本部分是全书的核心，聚焦于将复杂的偏微分方程转化为可计算的数值模型，并探讨了现代求解器的架构。 第四章：有限体积法的理论基础与离散化技术 本章详细介绍了最广泛应用的有限体积法（Finite Volume Method, FVM）。我们从守恒律出发，推导了通量在控制体界面上的精确离散形式。重点讲解了高分辨率格式（如MUSCL、ENO/ WENO 格式）的构建，以解决对流项带来的数值耗散和振荡问题。讨论了二维和三维网格生成（包括非结构化网格和混合网格）对求解稳定性和精度的影响。 第五章：压力-速度耦合求解器与瞬态流动的处理 本章集中讨论了处理N-S方程中压力场和速度场耦合问题的关键算法。详细对比了SIMPLE、PISO 和更先进的 Coupled 算法的收敛特性和计算效率。在瞬态（Unsteady）流动模拟方面，我们深入探讨了隐式（Implicit）和显式（Explicit）时间积分方案的稳定性和精度要求，并介绍了亚迭代技术（Sub-iterations）在保证大时间步长下的准确性。 第六章：湍流建模的前沿进展 本章全面审视了当前工业界和学术界使用的湍流模型。RANS（雷诺平均纳维-斯托克斯）部分，除了标准的 $k-epsilon$ 和 $k-omega$ 模型外，重点介绍了 SST $k-omega$ 模型在处理壁面附近流动和压力梯度效应上的优势。更进一步，本章介绍了大涡模拟（LES）和直接数值模拟（DNS）的理论基础、网格分辨率要求及其在捕捉流动结构（如涡旋脱落、混合层）中的关键作用。特别是对亚格子尺度（Subgrid-Scale, SGS）模型的选择与验证进行了详尽的论述。 第三部分：复杂物理现象的耦合模拟与工程实例 本部分将前两部分的理论和方法应用于解决具有挑战性的多物理场工程问题。 第七章：多相流与界面捕获技术 本章关注于涉及多种流体相的流动问题。详细介绍了界面跟踪技术，包括界面清晰（Sharp Interface）方法如水平集（Level Set）法和相场（Phase Field）法，以及界面扩散（Diffuse Interface）方法如 VOF（Volume of Fluid）法。通过实例分析，如气液两相流中的气泡动力学、雾化过程以及固液界面在凝固或侵蚀中的演变。 第八章：流动与结构相互作用（FSI）的耦合策略 本章探讨了流体载荷引起结构变形以及结构变形反作用于流场的双向耦合问题。分析了 FSI 问题的求解策略，包括单向耦合（One-Way Coupling）和完全双向耦合（Two-Way Coupling）。重点介绍了迭代求解框架（如分区法和单一求解器法）在模拟航空器颤振、植入式医疗器械中的血液动力学响应等场景中的应用。 第九章：热传输与辐射在工程中的建模 本章将能量输运纳入考虑，特别是涉及高温或复杂介质的流动。详细解析了对流、传导和辐射热边界条件的处理。在辐射部分，重点介绍了离散坐标法（Discrete Ordinates Method, DOM）和蒙特卡洛法（Monte Carlo Method）在非均匀介质中辐射传递计算中的应用，适用于燃烧室和高效换热器的设计分析。 第十章：现代工程流动的优化与控制 本章展望了流体力学的前沿应用——流动控制。讨论了被动控制（如几何修形）和主动控制（如吹吸、等离子体激励）的机理。此外，本章还介绍了基于反馈控制的流动优化方法，包括如何利用伴随场（Adjoint Methods）来高效地计算灵敏度，从而指导结构或操作参数的优化设计，以最小化阻力、提高混合效率或抑制噪声。 本书结构严谨，从基础原理到尖端技术，覆盖面广且深度足够，旨在为读者提供一个独立解决复杂工程流动问题的强大工具箱。书中的理论推导清晰，并辅以大量实际工程案例和关键的算法实现细节，确保理论知识能有效地转化为工程解决方案。

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初次翻开这本书，我最大的感受是作者在理论深度上的那种毫不妥协的严谨性。这不是一本入门级的科普读物，它直面了计算流体力学（CFD）领域最核心、也最棘手的问题。从纳维-斯托克斯方程的推导，到不同边界条件的物理意义阐释，每一步都经过了数学上的精确论证，毫不含糊。特别是关于离散化误差分析和收敛性判据的章节，作者没有满足于给出标准的数值格式，而是深入探讨了不同时间步进法（如隐式与显式）在稳定性和精度上的内在权衡。这种深挖底层原理的做法，对于那些希望真正理解数值求解器“黑箱”内部运作机制的工程师和学生来说，简直是宝藏。我个人尤其欣赏作者在处理高雷诺数流动时的那种审慎态度，他清晰地指出了近似方法（如涡粘性假设）的局限性，并提供了相应的修正思路，体现了深厚的工程直觉和理论功底。

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这本书的排版和装帧设计简直是视觉上的享受。封面采用了深邃的蓝色调，搭配着流体动力学模拟图像的抽象线条，立刻就能感受到专业与艺术的完美融合。内页的纸张质感非常上乘，即便是长时间阅读也不会让人感到眼睛疲劳。更值得称赞的是，图表的清晰度和色彩的运用达到了专业水准。那些复杂的矢量场和等高线图，在精心设计的布局下，变得异常直观易懂。作者在排版上明显投入了大量的精力，确保了公式、文字描述以及配图之间的逻辑流顺畅。例如，在讨论湍流模型（如RANS方程）的部分，所有的数学符号都经过了规范的格式化处理，避免了以往技术书籍中常见的符号混乱问题。侧边栏的注释和关键术语的加粗处理，也极大地便利了快速查找和回顾。对于经常需要查阅资料的研究人员来说，这种细致的排版体验是无价的，它极大地提升了阅读体验的流畅度和专业性，让人愿意一遍又一遍地翻阅。

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这本书的语言风格，虽然在技术深度上令人印象深刻，但其行文却展现出一种令人耳目一新的、近乎散文般的流畅感。它成功地避免了技术文献常有的那种冷硬和晦涩。作者在阐述复杂的数学概念时，常常会穿插一些富有洞察力的比喻或历史背景介绍，这使得那些原本枯燥的数学推导过程变得生动起来。比如，在描述湍流闭合模型的演变历史时，作者不是简单罗列公式，而是将其描绘成一场跨越半个世纪的科学探索之旅，点出了不同学派之间的争论焦点。这种叙事的力量，让读者在学习艰深知识的同时，也能感受到科学家们在探索未知领域时的激情与挣扎。它不只是在传授知识，更像是在邀请读者加入到这场关于“如何精确描绘自然界运动”的伟大对话中，读起来令人心潮澎湃，有一种知识被“激活”的感觉，而不是被“灌输”。

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从教学角度来看，这本书的结构设计极具启发性。它似乎是为一门高级研究生课程量身定做的教材，但其组织逻辑又远超一般教材的刻板。作者采用了“先建立基础，再分岔深入”的策略。前几章奠定基础，清晰地划分了欧拉态、拉格朗日态的描述体系，并引入了守恒律的积分形式。随后，内容开始灵活地根据流动特性进行分支——例如，专门开辟章节讨论不可压缩流动，紧接着又是高度可压缩和化学反应流动的特殊处理。这种结构的好处是，读者可以根据自己的专业方向，选择性地深入学习特定模块，而不会被不相关的复杂内容所干扰。更重要的是，每个章节末尾都精心设计了“挑战性思考题”，这些问题往往需要综合运用前几章的知识点进行推导和讨论，而非简单的数值代入，极大地锻炼了读者的批判性思维和问题解决能力。

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这本书最让我惊喜的，是它在连接理论与实际工程应用之间的桥梁构建上所下的苦功。很多教科书在讲完理论后，就戛然而止，留下读者面对实际案例时无从下手。但《Modelling Fluid Flow》则不然，它后续的章节详细剖析了实际工程项目中的常见难题，例如多孔介质中的渗流、动网格技术在动翼模拟中的应用，以及如何处理流固耦合的耦合算法。作者没有空泛地谈论软件功能，而是从物理建模的角度，剖析了在选择不同数值格式时，如何避免物理失真，比如在模拟分离流时如何合理设置壁面处理方案。他甚至引入了一些非常前沿的、针对特定工业问题的优化策略，例如如何利用代理模型加速参数空间探索。这种“理论为工具，工程为目标”的叙事结构，使得整本书的知识都具有极强的可操作性，让我在面对复杂项目时，能够迅速定位到最合适的物理模型和数值方法。

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